Экономическая и экологическая эффективность применения комбинированной системы регулирования режимов работы гидроэлектростанций

Во всем мире ведутся научные исследования по совершенствованию режимов и методов работы, направленных на повышение энергетической, экономической и экологической эффективности электростанций на основе возобновляемых источников энергии (далее – ВИЭ) при раздельном и комбинированном использовании [1]. Работы нацелены на снижение затрат топливных ресурсов, выбросов парниковых газов, себестоимости получаемой электроэнергии и сроков окупаемости электростанций. Ведутся разработки эффективных методов управления режимами работы и технологическими схемами комбинированных систем на основе возобновляемых источников энергии. Приоритетными считаются исследования по определению экономической целесообразности, оценке надежности, устойчивости и безопасности выработки электроэнергии [2]. Эта задача сводится к необходимости определения и оценки техникоэкономических и экологических показателей электростанций.

Целью работы является изучение экономической и экологической эффективности применения комбинированной системы регулирования режимов работы гидроэлектростанций. Для ее достижения были использованы структурно-функциональные и теоретические методы исследования: анализ, обобщение и синтез литературы в области регулирования работы гидроэлектростанций.

Для корректной оценки эффективности создания комбинированных гидроэлектростанций необходимо учитывать следующие факторы:

• 1.    Возобновляемые гидроэнергетические ресурсы, появляющиеся благодаря экономии топлива, и сопутствующие затраты на его добычу, переработку и транспортировку. Топливный эффект от установок ВИЭ составляет значительную часть общего экономического эффекта, ежегодно возрастая [3].

• 2.    Экологическая чистота установок ВИЭ. В связи с ухудшением экологической обстановки ужесточаются требования к выбросам вредных веществ в атмосферу при работе станций на невозобновляемых, сжигаемых источниках. Обеспечение работы станций в соответствии с новыми требованиями требует огромных средств, что отрицательно сказывается на их экономической эффективности [4].

• 3.    Дефицит мощности, частые отключения централизованной сети электроснабжения из-за энергетических ограничений. Производители, особенно субъекты малого и среднего предпринимательства, занятые в сельскохозяйственном производстве, несут убытки, в десятки раз, превышающие стоимость недопоставленной энергии. Учет данного фактора

важен при определении экономического эффекта от работы гидроэнергоустановок в соответствии с графиком потребления энергии субъектами хозяйствования [5].

В настоящее время в экономике разработаны методы оценки экономической эффективности различных комбинированных энергоустановок, однако возрастание актуальности экологических проблем обуславливает дальнейшее развитие методов определения экономической эффективности комбинированных энергоустановок, учитывающих экологические аспекты [6]. Источники ВИЭ быстро расширяются, и по оценкам составят почти 95% прироста мировой мощности электроэнергии к 2026 году [7]. Больше всего от источников ВИЭ зависимы Исландия (100%), Норвегия (97%), Германия и Дания (50%), Китай (29%), Япония (19%) и США (13%). Эти страны вырабатывают электроэнергию из возобновляемых источников, таких как ветер, солнечная энергия, геотермальная энергия, гидроэнергия и биомасса.

Ветер и солнечная энергия являются наиболее быстро развивающимися ресурсами ВИЭ, при этом их глобальная мощность увеличивается более чем на 20% ежегодно в последние годы. ВИЭ становятся все более конкурентоспособными по сравнению с ископаемым топливом и в настоящее время являются наиболее экономически эффективным вариантом для новой генерации электроэнергии [8].

С ростом производства энергии из возобновляемых источников в электросетях многих стран общая потребность в экономически и энергоэффективных емкостях хранения увеличивается. Многие заводы, использующие ресурсы ВИЭ, полагаются на обычную доступность солнечной радиации, ветра или воды [9]. Временное хранение энергии может обеспечить адекватную стабильность сети, поскольку позволит хранить избыточную емкость, когда спрос на электроэнергию низкий, и высвобождать ее, когда спрос высокий. Было разработано несколько технологий хранения энергии, таких как механические системы хранения с различными видами гравитационного и химического хранения энергии с использованием различных технологий аккумуляторов или хранения водорода. Максимальную мощность на сегодняшний день реализу- ет гидроаккумулирующее хранилище энергии (ГХЭ), которое в 2020 году при гидроаккумулирующей емкости в 1,5 ГВт достигло мощности 159,5 ГВт [10].

ГХЭ – это тип системы хранения энергии, в которой избыточная мощность используется для перекачивания воды из резервуара в нижнем положении в резервуар в верхнем положении. Таким образом энергия хранится в качестве источника гравитационной потенциальной энергии. Затем вода выпускается через турбину для выработки электроэнергии, когда возникает спрос на энергию, то есть потенциальная энергия преобразуется обратно в электрическую [11]. Верхний резервуар в системе ГХЭ хранит потенциальную энергию в форме воды на возвышенности. Он может быть расположен на холме или горе, построен как искусственное озеро или бассейн. Емкость верхнего резервуара определяется объемом воды, который он может удерживать. Нижний резервуар расположен ниже, чем верхний, что позволяет гравитации создавать необходимое давление для привода турбин, которые вырабатывают электроэнергию. Нижний резервуар может быть расположен на реке, построен как искусственный бассейн или представлен в виде плотины. В часы пониженной нагрузки воду можно поднять из нижнего резервуара в верхний с помощью электроэнергии и/или ВИЭ [12].

По прогнозам исследователей, системы ГХЭ, интегрированные с ресурсами ВИЭ, такими как ветряные и гидротурбины, фотоэлектрические или солнечные тепловые электростанции, будут играть жизненно важную роль в стабилизации электроснабжения [13]. Изучение комбинаций ГХЭ с фотоэлектрической, ветровой системой и их сочетанием с использованием алгоритмов метаэвристики NSWOA и NSGA-II показало, что все они являются прибыльными, при этом общая цена для последнего сценария при вероятности потери нагрузки 0% была на 4,6% и 17% меньше, чем для сценариев только с ветровой и фотоэлектрической системами соответственно [14].

Гибридная система, состоящая из источников энергии ветра (4-5 МВт) и фотоэлектрической установки (0,54-1,60 МВт) в сочетании со схемами ГХЭ, была проанализирована с учетом различных мощностей насосов/турбин

(2 МВт, 4 МВт и 6 МВт) и объемов резервуаров [15]. Результаты показали, что интеграция гидроэлектростанции мощностью 4 МВт, ветряной электростанции мощностью 5 МВт, фотоэлектрической установки мощностью 0,54 МВт и интегрированной ГХЭ с объемом водохранилища 378 000 м3 позволяет достичь наилучшей технической альтернативы с годовым удовлетворением потребления на уровне 72%.

Техническое и экономическое исследование гибридной ветро-гидроэлектрической системы мощностью 10 МВт, интегрированной с водонасосным хранилищем мощностью 5,2 МВт, показало, что ее предполагаемая годовая выработка энергии составляет 26,7 ГВт-ч, прогнозируемое годовое сокращение выбросов – 15 мегатонн эквивалента CO2 [16]. Анализ осуществимости показал, что при ставке дисконтирования 6% период окупаемости составляет 8,59 лет, а внутренняя норма доходности – 9,79%. Авторы доказали, что водонасосное гидрохранилище в предлагаемой конструкции может регулировать спрос/предложение для балансировки и смягчения разницы между внепиковыми и пиковыми интервалами, играя значительную роль в стабилизации сети и повышении проникновения систем ВИЭ.

Исследования ветро-гидросетевой системы, которая была технически, экономически и вает наиболее экономичное решение в 0,096 $/кВт·ч со сроком окупаемости 10,271 года, сокращением выбросов углекислого газа на 24,69%, потребления энергии традиционной сети – на 24,68%.

Мета-эвристический анализ экономического риска гибридных ветровых и ГХЭ-энергетических систем с использованием трех методов для определения оптимального использования ветрового парка и систем ГХЭ, которые минимизировали бы риск системы и стоимость генерации, показал, что система, которая использовала оптимизацию пламени мотылька, эффективно минимизировала риск энергосистемы и стоимость генерации для стандартной системы IEEE 30-bus [18]. Исследование влияния изменчивости скорости ветра на гибридную систему ветряных турбин и ГХЭ в регулируемых/дерегулируемых средах с помощью различных эвристических алгоритмов с точки зрения электрических потерь, профилей напряжения, производственных затрат и осуществимости системы показало, что при троекратном усилении ветра коэффициенты риска увеличились на 1% [19].

Таким образом, гибридные системы можно считать оптимальными системами возобновляемой энергии. Системы электроснабжения, соединенные с фотоэлектрической установкой, ветровой и гидроэлектростанциями и дополненные гидроаккумулирующим хранили- экологически оптимизирована с использова- щем энергии, позволяют максимизировать нием генетического алгоритма, имитации отжига и поиска по шаблону в MATLAB, показали, что объединение гидроаккумулирования с ветровой энергией является более эффективным вариантом, чем традиционное производство электроэнергии [17]. Согласно результатам, генетический алгоритм обеспечи- использование энергии, снизить закупки энергии из сети и выбросы углекислого газа. Они экологичнее и экономически эффективнее, чем энергосистемы на ископаемом топливе или сетевые конфигурации на одном типе возобновляемой энергии.